文档介绍：1
电力电子技术及其应用概论
Introduction to Power Electronics and its Application
机械工程及自动化学院机电工程系
陈硕(******@fzu.)
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第三章电力电子器件、变换电路及其应用
半导体器件的工作原理
电力电子器件介绍
交流—直流变换电路(整流电路)
直流—交流变换电路(逆变电路)
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1 半导体器件的工作原理
不同元素原子核外电子的数目不同—元素周期表
含有多个核外电子的原子中,电子运动的主要区域离核有远有近,在离核较近的区域运动的电子能量较低,在离核较远的区域运动的电子能量较高,即电子在原子核外是分层排列的,把核外电子运动的不同区域看成不同的电子层,各电子层由内向外的序数n依次为1、2、3、…,分别称为K、L、M、N、O、…电子层。
原子核外电子排布
例如,钠原子核外有11个电子,分别处于K、L、M
电子层中,排布在最外层的1个电子能量最高
Na
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半导体工作原理
13Al(铝)
14Si(硅)
15P(磷)
10Ne(氖)
科学研究证明:核外电子总是从能量最低的K层开始向外排列,而且各层能容纳的电子数为2n2,而且最外电子层最多只能容纳8个电子,若K层为最外层,最多只能容纳2个电子。
氖的最外电子层已经填满,形成稳定结构。
价电子
三价元素
四价元素
五价元素
惯性核
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(2)共价键:两种非金属相互化合时,原子间共用最外层的电子形成共用电子对以达到稳定的电子层结构,共用电子对同时受到两个原子核的吸引→原子间通过共用电子对所形成的强烈的互相作用力——共价键。
14Si(硅)
SiO2(二氧化硅)
8O(氧)
共价键
半导体工作原理
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本征半导体
32Ge(锗)
14Si(硅)
硅和锗都是晶体,它们的原子都是有规则地排列着,并通过由价电子组成的共价键把相邻的原子牢固地联系在一起。硅和锗中的每个原子均和相邻四个原子构成四个共价键。整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶。硅和锗的单晶称为本征半导体,它们是制造半导体器件的基本材料。
半导体工作原理
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本征激发和复合
一块本征半导体,在热力学温度T=0K(K为开尔文)和没有外界影响的条件下,它的价电子均束缚在共价键中,不存在自由运动的电子。但当温度升高或受到光线照射时,某些共价键中的价电子从外界获得足够的能量,从而挣脱共价键的束缚,离开原子而成为自由电子,同时,在共价键中留下了相同数量的空位,这种现象称为本征激发。
当共价键中留下空位时,相应原子就带有一个电子电荷量的正电,邻近共价键中的价电子受它的作用很容易跳过去填补这个空位,这样,空位便转移到邻近
共价键中去;而后新的空位又被其相邻的价电子填补。这种过程持续进行下去,就相当于一个空位在晶格中移动。
半导体工作原理
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①
②
③
半导体工作原理